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色度学的基本知识 报告人 老不死的部门 炎黄新产品育成中心2004 01 15 色度学 色度学是研究人的颜色视觉规律 颜色测量理论与技术的科学 它是一门本世纪发展起来的 以物理光学 视觉生理 视觉心理 心理物理等学科为基础的综合性科学 色度学与物理光学等学科的基础不同 物理光学可以认为是客观的科学 是与人类无关的 而色度学却是一种主观的科学 它以人类的平均感觉为基础 因此它属于人类工程学范畴 以对光强的度量来说 物理光学以光的辐射能量这个客观单位来度量 而色度学却以色光对人眼的刺激强度来度量 色度学确切的讲它是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学 以对光强的度量来说 物理光学以光的辐射能量这个客观单位来度量 而色度学却以色光对人眼的刺激强度来度量 辐射能量很大的波长很长的红光对人来说却没有辐射能量很小的黄光亮 人们就认为黄光的强度比红光大 在人们眼中所反映出的颜色 不单取决于物体本身的特性 而且还与照明光源的光谱成分有着直接的关系 所以说在人们眼中反映出的颜色是物体本身的自然属性与照明条件的综合效果 我们用色度学来评价的结论就是这种综合效果每个人的视觉并不是完全一样的 在正常视觉的群体中间 也有一定的差别 目前在色度学上为国际所引用的数据 是由在许多正常视党人群中观测得来的数据而得出的平均结果 就技术应用理论上来说 已具备足够的代表性和可靠的准确性 国际照明委员会 CIE 国际照明委员会 CommissionInternationaleedI Eclairage CIE 主要研究照明的专业术语 光度学和色度学的国际学术研究机构 设在巴黎 早在1924年前就已从事标准色度学系统的研究 1931年根据莱特 W D Wright 在1928 1929年和吉尔德 J Guild 在1931年研究三原色的角度观察效果 加以平均 规定了CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值 并据以绘制出偏马蹄形曲线的 色度图 称为 1931CEL RGB系统色度图 后经修改被推荐为1931CIE XYZ系统 为国际通用色度学系统 称为 CIE标准色度学系统 所作的图则称 CIE1931色度图 1964年又综合斯泰尔斯 W S Stiles 和伯奇 J M Bruch 以及斯伯林斯卡娅 N I Speranskaya 1959年发表的研究结果 制定了CIE1964补充色度学系统以及相应的色度图 为世界各国广泛采用 据以进行色度计算和色差计算 1964年又提出了 均匀颜色空间 的三维空间概念 1976年加以修订 并正式被采用 CIE为此还提出了确定的参照光源 称 CIE标准光源 眼睛的剖视结构 角膜 Cornea 眼球壁的正前方 1mm厚 为一弹性的透明组织占眼球壁面积1 6 光线经角膜曲光折射进入眼内 虹膜 Iris 位于形成眼压的房水 AqueousHumor 后面 水晶体前面 决定眼睛的颜色白种人儿童虹膜色素少 为蓝色 年老色素增多成棕黑色 其肌键可控制瞳孔 Pupil 大小 约为2 8mm之变化 使得影像随外界明暗变化成像于视网膜上 水晶体 Lens 虹膜后透明双凸透镜 两曲面之曲率不同 厚4mm 9mm直径曲光率靠睫状肌 CiliaryBody 收缩而改变 眼睛的剖视放大图片 视觉原理 人眼基本上可以看成是一个包含在巩膜内的不透光暗室 它具有一个由角膜 前房水 水晶体和玻璃体组成的折射光学系统 它们将入射光线聚焦在眼球后面的视网膜上形成一个倒像 虹膜上的小孔叫瞳孔 瞳孔的大小可以改变 以便调节进入眼睛的光通量 在低亮度它完全打开时 直径可达8mm左右 而在高亮度环境中 其直径为1 5mm左右 其有效孔径 光圈 从f 11到f 2 焦距约为16mm 视网膜由一个感光细胞薄层组成 上面的细胞分为两种类型 一种是锥形的 一种是杆形的 它们大约有一亿二千五百万个 不均匀地分布在视网膜上 这两类细胞的作用不同 杆形细胞作用相当于高灵敏度 粗颗粒的黑白底片 它在很暗的光照下还能起作用 但不能区别颜色 的到的像轮廓不够清晰 锥形细胞作用相当于灵敏度比较差 颗粒细的彩色底片 它在较强的光照下才能起作用 能区别颜色 得到的像的细节较清晰 视觉原理 进入眼睛的光线通过瞳孔后到达水晶体凸透镜 在周围睫状肌的作用下 透镜可以适当地调节它的形状 使一定远近范围内 约从无穷远到15cm 的物体都能分别成像于视网膜上 两种感光细胞把像的讯号经过视神经通道传送到大脑 水晶体是折射率不均匀的物体 其外层折射率为1 38 内层折射率接近1 41 水晶体的焦距可以靠其表面曲率的变化来改变 随着物体离眼睛距离的不同 水晶体焦距作相应的变化 因而在视网膜上可以得到物体清晰的像 这个过程称为调焦 正常的眼睛处于没有调节的自然放松状态时 无穷远物体正好成像在视网膜上 即眼睛的像放焦点正好与视网膜重合 所以眼睛观察远处物体不容易疲劳 故目视仪器的调节应使像成于无限远处 观察近距物体时 水晶体周围的睫状肌向内收缩 使水晶体曲率半径变小 这时眼睛的焦距缩短 像方焦点由网膜上向前移动 使有限距离处的物体成像在视网膜上 视神经放大图片 视觉原理 进入眼睛的光线被视网膜 Retina 上的杆状 Rod 和锥状 Cone 细胞 见右图 所接受 并产生电子讯号刺激后方的神经细胞层在精于大脑整合产生视觉影像 杆状 Rod 细胞主司明暗的判别 平均约有1亿两千万个细胞 可接受400 600nm波长的光线 不具色彩判别力 锥状 Cone 细胞 则集中在视网膜中央的部分 可接受400 700nm波长的光线 具辨别色彩的能力 但数量只有6百万个 这也说明了为什么人的眼睛对明暗对比的判定 要比色彩的变化来的敏感的原因 视觉暂留现象 人眼之所以能够看清一个物体 乃是由于该物体在光的照射下 物体所反射或透射的光进入人眼 刺激了视神经 引起了视觉反应 当这个物体从眼前移开 对人眼的刺激作用消失时 该物体的形状和颜色不会随着物体移开而立即消失 它在人眼还可以作一个短暂停留 时间大约为1 10秒 物体形状及颜色在人眼中这个短暂时间的停留 就称为视觉暂留现象 正因为有了这种视觉暂留现象 人们才能欣赏到电影 电视的连续画面 视觉暂留现象是视错觉的一种表现 眼睛的分辨能力 眼睛分辨物体细节的能力与视网膜的结构 主要是其上面的感光单元的分布 有关 不同部分亦很大的差别 在网膜中央靠近光轴的一个很小的区域 称为黄斑直径约为1 5mm 里 分辨能力最高 能分辨的最近两点对眼睛的张角 称为最小分辨角 在白昼的照明条件下 黄斑内的最小分辨角接近1 趋向网膜边缘 分辨能力急剧下降 所以人的眼睛视场虽然很大 水平方向视场角约为160度 垂直方向约为130度 但其中只有中央视角6 7度的一个小范围内才能较清楚地看到物体的细节 另外 眼睛的分辨能力与照明环境有很大的关系 在夜间照明条件比较差的时候 眼睛的分辨能力大大下降 最小分辨角可达1度以上 人们大约可分辨出一百多种颜色 这种单波长的色光非常鲜艳 人们称为纯色 实际看到的色光大多数是由许多种波长的光组成的 例如太阳光就是从红光到蓝光的连续光谱组成的 颜色的视觉 视网膜的颜色区 对颜色的感觉是光的辐射能对视网膜上锥体细胞作用的结果 由于锥体细胞的分布不同 因而不同区域对颜色的感受能力也不同 视网膜中央能分辨各种颜色 由中央向外围部分过渡 对颜色的分辨能力逐渐减弱 直到对颜色的感觉消失 观察小视场和大视场的颜色会有不同结果 眼感受到颜色 不只决定于客观的刺激 还取决于用眼的什么位置接受这个刺激 例 当比较两种颜色时 视场的角值不应超过1 5度 颜色的视觉 颜色辨认 颜色是外来的光刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉 因而物体的颜色不仅取决于物体本身 还与光源 周围环境的颜色 以及观察者的视觉系统有关系 一般来说可见光谱上的各种颜色随光强度的增加而有所变化 向红色或蓝色变化 这种颜色随光强度而变化的现象 叫做贝楚德 朴尔克效应 但在光谱上黄 527nm 绿 503nm 蓝 478nm 三点基本上不随光强而变 人眼对波长变化引起的颜色变化的辨认能力 颜色辨认的灵敏阈 在光谱中的不同位置是不同的 人眼刚能辨认的颜色变化就称为颜色辨认的灵敏阈 最灵敏处为480nm 青 及600nm 橙黄 附近 最不灵敏处为540nm 绿 及光谱两端 灵敏处只要波长改变1nm 人眼就能感受到颜色的变化 而多数要改变1 2nm才行 颜色的视觉 颜色的分类 颜色可分为彩色和非彩色 非彩色指白色 黑色和各种不同深浅的灰色 彩色就是指黑白系列以外的各种颜色 对于理想的完全反射的物体 其反射率为100 称它为纯白 而对于理想的完全吸收的物体 其反射率为零 称它为纯黑 白色 黑色 和灰色物体对光谱各波段的反射和吸收是没有选择性的 称它们为中性色 对光来说 非彩色的黑白变化相当于白光的亮度变化 即当白光的亮度非常高时 人眼就感觉到是白色的 当光的亮度很低时 就感觉到发暗或发灰 无光时是黑色的 颜色的视觉 非彩色的特性 1 非彩色的特性可用明度表示 明度是指人眼对物体的明亮感觉 影响的因素 辐射的强度大小 亮度的大小 一般亮度越大 我们感觉物体越明亮 但当亮度变化很小 人眼不能分辨明度的变化 可以说明度没变 但不能说亮度没变 因为亮度是有标准的物理单位 而明度是人眼的感觉 人的经验在同样的亮度情况下 我们可能认为暗环境高反射率 例如在较暗环境中的白色书页 明度比亮环境较低反射率 例如在光亮环境中的黑墨 的物体明度高 彩色的三个特性 明度 彩色有三种特性 明度 色调和饱和度 色调和饱和度又总称为色品 色度 明度是指色彩的明暗程度 每一种颜色在不同强弱的照明光线下都会产生明暗差别 我们知道 物体的各种颜色 必须在光线的照射下 才能显示出来 这是因为物体所呈现的颜色 取决于物体表面对光线中各种色光的吸收和反射性能 前面提到的红布之所以呈现红色 是由于它只反射红光 吸收了红光之外的其余色光 白色的纸之所以呈现白光 是由于它将照射在它表面上的光的全部成分完全反射出来 如果物体表面将光线中各色光等量的吸收或全部吸收 物体的表现将呈现出灰色或黑色 同一物体由于照射在它表面的光的能量不同 反射出的能量也不相同 因此就产生了同一颜色的物体在不同能量光线的照射下呈现出明暗的差别 白颜料属于高反射率物质 无什么颜色掺入白颜料 可以提高自身的明度 黑颜料属于反射率极低的物质 因此在各种颜色的同一颜色中 黑除外 掺黑越多明度越低 在摄影中 正确处理色彩的明度很重要 如果只有色别而没有明度的变化 就没有纵深感和节奏感 也就是我们常说的没层次 彩色的三个特性 色调 色调就是指不同颜色之间质的差别 它们是可见光谱中不同波长的电磁波在视觉上的特有标志 色彩所具有的最显著特征就是色调 也称色相 它是指各种颜色之间的差别 从表面现象来讲 例如一束平行的白光透过一个三棱镜时 这束白光因折射而被分散成一条彩色的光带 形成这条光带的红 橙 黄 绿 青 蓝 紫等颜色 就是不同的色调 从物理光学的角度上来讲 各种色调是由射入人眼中光线的光谱成分所决定的 色调即色相的形成取决于该光谱成分的波长 物体的色调由照射光源的光谱和物体本身反射特性或者透射特性决定 例如蓝布在日光照射下 只反射蓝光而吸收其它成分 如果分别在红光 黄光或绿光的照射下 它会呈现黑色 红玻璃在日光照射下 只透射红光 所以是红色 光源的色调取决于辐射的光谱组成和光谱能量分布及人眼所产生的感觉 彩色的三个特性 饱和度 饱和度是指构成颜色的纯度也就是彩色的纯洁性 色调深浅的程度 它表示颜色中所含彩色成分的比例 彩色比例越大 该色彩的饱和度越高 反之则饱和度越低 从实质上讲 饱和度的程度就是颜色与相同明度有消色的相差程度 所包含消色成分越多 颜色越不饱和 色彩饱和度与被摄物体的表面结构和光线照射情况有着直接的关系 同一颜色的物体 表面光滑的物体比表面粗糙的物体饱和度大 强光下比阴暗的光线下饱和度高 可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色 当光谱色 即单色光 掺入白光成份时 其彩色变浅 或者说饱和度下降 当掺入的白光成份多到一定限度时 在眼睛看来 它就不再是一种彩色光而成为白光了 或者说饱和度接近于零 白光的饱和度等于零 物体彩色的饱和度决定于其反射率 或透过率 对谱线的选择性 选择性越高 其饱和度就越高 也就是说物体色调的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度 物体对光谱某一较窄波段的反射率很高 而对其它波长的反射率很低或不反射 表明它有很高的光谱选择性 物体这一颜色的饱和度就高 不同的色别在视觉上也有不同的饱和度 红色的饱和度最高 绿色的饱和度最低 其余的颜色饱和度适中 在照片中 高饱和度的色彩能使人产生强烈 艳丽亲切的感觉 饱和度低的色彩则易使人感到淡雅中包含着丰富 颜色的视觉 颜色的特性 亮度或明度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉 是指色彩明暗深浅的程度 也可称为色阶 亮度有两种特性 同一物体因受光不同会产生明度上的变化 强度相同的不同色光 亮度感不同 饱和度指色彩纯粹的程度 淡色的饱和度比浓色要低一些 饱和度还和亮度有关 同一色调越亮或越暗越不纯 色光的基色或原色为红 R 绿 G 蓝 B 三色 也称为光的三基色 三原色以不同的比例相混合 可成为各种色光 但原色却不能由其它色光混合而成 色光的混合是光量的增加 所以三原色相混合而成白光 而两种色光相混合而成白光 这两种色光互为补色 光的物理性质由它的波长和能量来决定 波长决定了光的颜色 能量决定了光的强度 光映射到我们的眼睛时 波长不同决定了光的色相不同 波长相同能量不同 则决定了色彩明暗的不同 色调与饱和度合称为色度 Chromaticity 它既说明彩色光的颜色类别 又说明颜色的深浅程度 色度再加上亮度 就能对颜色作完整的说明 格拉斯曼颜色混合定律 1 人的视觉只能分辨颜色的三种变化 明度 色调和饱和度2 在由两个成份组成的混色中 如果一个成份连续变化 混合色的外貌也连续变化 由此可导出 补色律如果两种彩色以适当的比率混合后可以产生白色或灰色 称该两种彩色互为补色 如果两者按其它比例混合 则产生近似于比重较大的彩色成份的非饱和色 每一种彩色都有一种相应的补色 中间色律任何两种非补色相混和 便产生中间色 其色调决定于两彩色在色调顺序上的远近 3 外貌相同的光 不管它们的光谱组成是否一样 在视觉效果上相同的光 可以是由不同光谱组成的 这就是所谓的同色异谱现象 在颜色混合中具有相同的效果 也就是说 凡是视觉上相同的颜色 在颜色混合中都是等效的 由此又可导出 颜色代替律如果颜色A 颜色B 颜色C 颜色D 式中的 表示视觉上的相同 那么就有颜色A 颜色C颜色B 颜色B 颜色D 式中的 表示相加混合 例如 如果C A B且B X Y那么就有C A X Y 4 亮度相加律混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色的亮度的总和 上述的颜色混合定律不适合用于染料或涂料的混合 颜色匹配 把两种颜色调节到视觉上相同或相等的方法 称为颜色的匹配 通过颜色相加的混合方法 改变颜色的明度 色调和饱和度三特性 其中两个相互匹配的颜色 尽管处在不同条件下 两个颜色仍始终保持匹配 即不管颜色周围环境的变化 或者人眼已经对其它颜色光适应后再来观察 视场中两种颜色始终保持匹配 称为颜色匹配恒常律 在一个给定的光源条件下 一对具有不同光波的物体可以产生相同的颜色 这一现象叫做条件配色 这一对物体称为条件配色对 颜色的混合 颜色的相互混合称为混色 混色分加法混色和减法混色 将几种颜色光同时或快速先后刺激人的视觉器官 便产生不同于原来颜色的新的颜色感觉 这就是颜色相加混合的方法 称为加法混色 格拉斯曼定律认为 在由两个成分组成的混和色中 如果一个成分连续地变化 混和色的外貌也连续变化 根据颜色的代替律可知 只要在感觉上颜色是相同的 便可以相互代替 所得的视觉效果是相同的 因而可以利用颜色混合的方法来产生或代替所需要的颜色 染料的混合称为减色混合 红 绿 蓝三种颜色染料等量混合之后的颜色为黑色 Kubelka Munk的色料混合理论认为 当几种色料混合时 总的吸收与散射为各色料的吸收与散射之和 如果各色料之间不起化学作用 则混合物的吸收系数和散射系数为各色料的吸收系数和散射系数之和 因颜料的吸收作用使光能下降 所以透明颜料的混合遵循减色混合原理 混色规律 不同颜色混合在一起 能产生新的颜色 这种方法称为混色法 混色分为相加混色和相减混色 相加混色是各分色的光谱成分相加 彩色电视就是利用红 绿 蓝三基色相加产生各种不同的彩色 相减混色中存在光谱成分的相减 在彩色印刷 绘画和电影中就是利用相减混色 它们采用了颜色料 白光照射在颜色料上后 光谱的某些部分使被吸收 而其他部分被反向或透射 从而表现出某种颜色 混合颜料时 每增加一种颜料 都要从白光中减去更多的光谱成分 因此 颜料混合过程称为相减混色 相加混色的实现方法 为了实现相加混色 除了将三种不同的基色 同时投射到某一全反射面产生相加混色外 还可以利用人眼的某些视觉特性实现相加混色 1 时间混色法 将三种不同的基色以足够快的速度轮流投射到某一平面 因为人眼的视觉惰性 分辨不出三种基色 而只能看到它们的混合色 时间混色法是顺序制彩色电视的基础 2 空间混色法 将三种基色分别投射到同一表面上相邻的三点 只要这些点足够的近 由于人眼分辨力的有限性 不能分辨出这三种基色 而只能感觉到它们的混合色 空间事法是同时制彩色电视的基础 3 生理混色法 当两只眼睛同时分别观看不同的颜色 也会产生混色效应 例如 两只眼睛分别戴上红 绿滤波眼镜 当两眼分别单独观看时 只能看到红光或绿光 当两眼同时观看时 正好是黄色 这就是生理混色法 颜色匹配 转盘匹配 利用转盘进行颜色混合 实现颜色匹配 如右图 a 所示 假定所选定的三原色为红 R 绿 G 蓝 B 它们各自的量以扇形面积表示 被匹配的颜色 C 放在转盘的中心 当转盘转动时 R G B先后刺激人眼产生混合色的效果 改变R G B的比例 直到与C匹配为止 黑色扇形 图中加阴影部分 的加入 是用以调节混合色的明度 使其与C的明度一致 以便获得匹配的最好效果 当C很饱和时 用图 a 的办法有可能不能实现匹配 此时可将三原色之一 例如B 加在被匹配的颜色C上 如图 b 所示 a 图可以看做是相加混色法中的时间混色法 利用人眼的视觉暂留现象 在足够快的旋转中 使人眼分辨不出三种基色 而只能看到它们的混合色 遥为匹配某一特定颜色所需三原色的数量称为三刺激值 颜色匹配 白色屏幕匹配 用三原色光照明白色屏幕的同一位置 光线经过屏幕的反射而达到混合 改变三色光的比例 即可实现匹配 如右图所示 被匹配的颜色C加在屏幕的另一侧 匹配后 视场中S及F两部分的视觉外貌相同 颜色匹配 视觉邻近匹配 不同的颜色刺激同时作用到视网膜非常邻近的部位 也可产生颜色混合现象 这就要求三色光在物面上要靠的足够近 彩色显象管就是基于此原理而实现颜色混合的 在上述的三种颜色匹配方法中 第二种白色屏幕匹配的颜色混合是在外界发生的 而其它两种 颜色的混合是通过视觉器官实现的 总结前面提到的颜色匹配的方法 1 颜色的混合是在外界发生的 2 颜色的混合是通过视觉器官实现的 色对比和色适应 在视场中 相邻区域的不同颜色的相互影响叫做色对比 它包括有明度对比 色调对比 彩度对比 一般的颜色对比是这三种对比的综合结果 对比的结果是增强了相邻颜色间的差异 人眼对某一色光适应后 观察另一物体的颜色时 不能立即获得客观的颜色印象 而带有原适应色光的补色成份 需经过一段时间适应后才获得客观的颜色感觉 这个过程称作色适应的过程 这种现象称作色适应 黑体 任何物体都具有不断辐射 吸收 发射电磁波的本领 辐射出去的电磁波在各个波段是不同的 也就是具有一定的谱分布 这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关 因而被称之为热辐射 为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律 物理学家们定义了一种理想物体 黑体 blackbody 以此作为热辐射研究的标准物体通常的光源如太阳 日光灯 白炽灯等发出的光统称为白光 但由于发光物质不一样 光谱成份相差也很大 如何区别各种光源因光谱成份不同而出现的差别呢 为此物理学中用一个称为黑体的辐射源作为标准 这个黑体是一种理想的热辐射体 它的辐射程度只与它的温度有关 所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收 既没有反射 也没有透射 当然黑体仍然要向外辐射 显然自然界不存在真正的黑体 但许多地物是较好的黑体近似 在某些波段上 基尔霍夫辐射定律 Kirchhoff 在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收的能量之比与物体本身物性无关 只与波长和温度有关 按照基尔霍夫辐射定律 在一定温度下 黑体必然是辐射本领最大的物体 可叫作完全辐射体 色温 当用其它光源和黑体辐射作比较时 察看它的辐射与黑体何种温度时的辐射特性相当 即它们的光谱成份相同 就以黑体此时的温度 绝对温度 称为某光源的色温 在实际使用中 这常是用光源中的蓝色光谱成份和红色光谱成份的比例来区别 光源色温的高低一般是蓝色成份高时色温较高 红色成份高时色温较低 色温 光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时 黑体的温度称为该光源的色温相关色温 当光源的光谱只能与黑体某一温度下的光谱相近似 而不能精确等效时 则称这一温度为光源的相关色温 由于黑体这个温度与颜色有关 故名色温注意 光源的色温与光源本身的温度是两回事 通常两者是不相同的 例如白炽灯光源本身温度为2800K 但其色温是2845K 维恩 Wien 位移定律指出 当绝对黑体的温度增高时 最大的发射本领向短波方向移动 见图2 1 1 所以色温较高的光源 其发出的辐射能较多地分布在波长较短的绿光和蓝光之中 而色温较低的光源 其辐射能较多地分布在波长较长的红光中 因此 在标准白光中 色温较低者 偏红 色温较高时 偏蓝 电磁波谱 在电磁波辐射范围内 只有波长380nm到780nm 1nm 10 6mm 的辐射能引起人们的视感觉 这段光波叫做可见光 颜色的波谱 标准照明体 1 标准照明体A代表绝对温度大约为2856K完全辐射体 黑体 的光 2 标准照明体B代表相关色温大约为4874K的直射日光 它的光色相当于中午阳光 3 标准照明体C代表相关色温大约为6774K的平均日光 它的光色近似阴天天空的日光 4 标准照明体D65代表相关色温大约为6504K的日光 5 其他D照明体代表标准照明体D65以外的其它日光 如D55 D75 D55代表相关色温为5503K的典型日光 常用于摄影 D75代表相关色温为7504K的典型日光 用于高色温光源下进行精细辨色的场合 上述照明体 B和C不理想 因而用照明体D代表日光 在应用中 推荐A和D65作为普遍应用的标准照明体 标准光源 为了较为准确和规范地描述色调 CIE 国际照明委员会 制定了4种标准光源 以统一色调值 这4种标准光源的名称见下表 在这4种标准光源中 常用的 光源和 65光源 我国以 65为标准光源 1 标准光源A色温2856K的充气钨丝灯 2 标准光源BA光源加一组特定的戴维斯 吉伯逊液体滤光器 以产生相关色温4874K的辐射 3 标准光源CA光源加另一组特定的戴维斯 吉伯逊液体滤光器 以产生相关色温6774K的辐射 标准照明体D CIE尚未推荐出相应的标准光源 我国以 65为标准光源 关于颜色视觉理论 现代颜色视觉理论主要有两大类 一是杨 赫姆霍尔兹的三色学说 二是赫林的 对立 颜色学说 前者从颜色混合的物理规律出发 后者从视学现象出发 两者都能解释大量现象 但是各有欠缺之处 例如 三色学说是最大优越性是能充分说明各种颜色的混合现象 但最大的因难是不能满意地解释色盲现象 对立学说对于色盲现象能够得到满意的解释 但是最大的困难是对三基色能产生所有颜色这一现象没有充分的说明 而这一物理现象正是近代色度学的基础 一直有效地指导着电视技术的发展 彩色电视技术的发展 彩色电视技术中是依靠三色学说作为理论基础的 在1971年后阶段学说逐渐的取而代之 其认为有三种色彩的接收器 在接受到光线刺激时 将来自不同波长的刺激透过神经细胞传送电子讯号给大脑 而大脑的则将送进来的讯号依对立色彩学说的原则进行处理而反应成你所认知的色彩 也就是说眼睛视网膜底部的色彩接受端会对三原色的波长 R G B 产生反应 并且产生神经电子讯号送往大脑进行判读 而大脑会将所得到的讯号转换为红 绿 黄 蓝四色 C M Y K 并组合成影像 三基色原理 三色学说 1807年 杨 T Young 和赫姆霍尔兹 H L F vonHelmholtz 根据红 绿 蓝三原色可以产生各种色调及灰色的颜色混合规律 假设在视网膜上有三种神经纤维 每种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉 光作用于视网膜上别然能同时引起三种纤维的兴奋 但由于光的波长特性 其中一种纤维的兴奋特别强烈 例如 光谱长波端的光同时刺激 红 绿 蓝 三种纤维 但 红 纤维的兴奋最强烈 而有红色感觉 中间波段的光引起 绿 纤维最强烈的兴奋 而有绿色感觉 依同理 短波端的光引起蓝色感觉 光刺激同时引三种纤维强烈兴奋的时候 就产生白色感觉 当发生某一颜色感觉时 虽然一种纤维兴奋强烈 但另外两种纤维也同时兴奋 也就是有三种纤维的活动 所以每种颜色都有白光成份 即有明度感觉 1860年赫姆霍尔兹补充杨的学说 认为光谱的不同部分引起三种纤维不同比例的兴奋 对光谱的每一波长 三种纤维都有其特有的兴奋水平 三种纤维不同程度的同时活动就产生相应的色觉 红 和 绿 纤维的兴奋引起橙黄色感觉 绿 和 蓝 纤维的兴奋引起蓝紫色感觉 这个学说现在通常称为杨 赫姆霍尔兹学说 也叫做三色学说 杨 赫姆霍尔兹学说的最大优越性是能充分说明各种颜色的混合现象 赫姆霍尔兹用简明的三种神经纤维的假设 使颜色实践中颜色混合这一核心问题得到满意的解释现代色度学的根源立方追溯到杨 赫姆霍尔兹的三色学说 对立颜色学说 四色学说 赫林 E Hering 的对立颜色学说也叫做四色学说 1878年赫林观察到颜色现象总是以红 绿 黄 蓝 黑 白成对关系发生的 因而假定视网膜中有三对视素 白 黑视素 红 绿视素 黄 蓝视素 这三对视素的代谢作用包括建设 同化 和破坏 异化 两种对立的过程 光刺激破坏白 黑视素 引起神经冲动产生白色感觉 无光刺激时白 黑视素便重新建设起来 所引起的神经冲动产生黑色感觉 对红 绿视素 红光起破坏作用 绿光起建设作用 对黄 蓝视素 黄光起破坏作用 蓝光起建设作用 因为种种颜色都有一定的明度 即含有白色成份 所以每一颜色不仅影响其本身视素的活动 而且也影响白 黑视素的活动 当补色混合时 某一对视素的两种对立过程形成平衡 因而不产生与该视素有关的颜色感觉 但所有颜色都有白色成份所以引起白 黑视素的破坏作用而产生白色或灰色感觉 同样情形 当所有颜色都同时作用到各种视素时 红 绿 黄 蓝视素的对立过程都达到平衡 而只有白 黑视素活动 就引起白色或灰色感觉 当视网膜的一部分正在发生某一对素的破坏作用 其相邻部分便发生建设作用 而引起同时对比色盲是由于缺乏一对视素 红 绿或黄 蓝 或两对视素 红 绿 黄 蓝 的结果 这一解释与色盲常是成对出现 即红 绿色盲或蓝 黄色盲 的事实是一致的 缺乏两对视素时便产生全色盲 阶段学说 颜色视觉过程可以分成几个阶段 第一阶段 视网膜有三组独立的锥体感色物质 它们有选择地吸收光谱不同波长的辐射 同时每一物质又可单独产生白和黑的感应 在强光作用下产生白的反应 无外界刺激时是黑的反应 第一阶段 在神经兴奋由锥体感受器向视觉中枢的传导过程中 这三种反应又重新组合 最后形成三对对立性的神经反应 即红或绿 黄或蓝 白或黑反应 总之 颜色视觉的机制很可能在视网膜感受器水平是三色的 符合杨 赫姆霍尔兹的学说 而在视网膜感受器以上的视觉传导通路水平则是四色的 符合赫林的学说 颜色视觉机制的最后阶段发生在大脑皮层的视觉中枢 在这里产生种颜色感觉 颜色视觉过程的这种设想常叫做 阶段 学说 我们看到 两个似乎完全对立的古老颜色学说 现在终于由颜色视觉的阶段学说统一在一起了 三基色 三原色 原理 三基色是这样的三种颜色 它们相互独立 其中任一色均不能由其它二色混合产生 它们又是完备的 即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到 有两种基色系统 一种是加色系统 其基色是红 绿 蓝 另一种是减色系统 其三基色是黄 青 紫 或品红 不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色 其规律为 红 绿 黄红 蓝 紫蓝 绿 青红 蓝 绿 白 如右图所示 三基色 三原色 原理 彩色还可由混合各种比例的绘画颜料或染料来配出 这就是相减混色 因为颜料能吸收入射光光谱中的某些成分 未吸收的部分被反射 从而形成了该颜料特有的彩色 当不同比例的颜料混合在一起的时候 它们吸收光谱的成分也随之改变 从而得到不同的彩色 其规律为 黄 白 蓝紫 白 绿青 白 红黄 紫 白 蓝 绿 红黄 青 白 蓝 红 绿紫 青 白 绿 红 蓝黄 紫 青 白 蓝 绿 红 黑相减混色主要用于美术 印刷 纺织等 根据人眼上述的彩色视觉特征 就可以选择三种基色 将它们按不同的比例组合而引起各种不同的彩色视觉 这就是三基色原理的主要内容 量度色彩表现的主要考量 由于人眼的判断标准不一 如何度量色彩成为一个大问题 不仅是彩色摄影似乎是否忠诚地再现被摄景物的色彩 一般的印刷染色都会牵涉到色彩重现的问题 因此 在制订色彩度量衡标准时 必须克服三个要素 色彩可以透过数字或图表计量与表现 颜色的表现会随不同的环境及条件变化 同时还受诸观测者心理上的的反应影响 因此 必须制订能表现整体色彩感受范围的标准与边界 利用颜料或染料表现影像色彩时 由于这些化学制品无法像光线一样 而是采用吸收和反射光源中特定波长的 来达到显色的目的 因此 在测量这类色彩时 必须对光源标准和环境参数作统一规范 颜色方程 若以 C 代表被匹配的颜色 R G B 代表三原色 而以C R G B分别代表它们的数量 则颜色匹配可用颜色方程表示 C C R R G G B B 当三原色之一 例如B 必须加在被匹配的颜色上时 颜色方程可表示为 C C B B R R G G 这一方程在色度学中可表达成 C C R R G G B B 在色度学当中 颜色的数量是用色度学单位 或称T单位 来度量的 假定用三原色去匹配标准白光 需三原色分别为lR lG lB流明 就把lR lG lB定为 R G B 的相对亮度单位 色度学单位 换句话说 三原色分别用一个色度学单位单位混合就可以得到标准白光 也称为等能白光 所谓标准白光 是指假想的在整个可见光谱范围内光谱辐射能相等的光源的光色 也称等能白色 色温为5500k的白光与其很相似 颜色的表示方法 RGB表色系统 RGB表色系统为了表示颜色 国际照明委员会 CIE 规定两种方法 即两种表色系统 并分别称为1931CIE RGB系统和1931CIE XYZ 两种系统的主要区别在于前者采用客观的光谱色作为三原色 后者是采用假想的三原色 1 RGB表色系统国际照明委员会 CIE 规定 三原色分别为 波长为700nm 光通量为1光瓦的红光作为一个红基色单位 或称单位量 用 R 表示 波长为546 1nm 光通量为4 5907光瓦的红光作为一个绿基色单位 用 G 表示 波长为435 8nm 光通量为0 0601光瓦蓝光作为一个蓝基色单位 用 B 表示 这样规定的原因是上述三者都比较容易精确地产生出来 是采用汞弧光谱中经滤波后的单一谱线作为观标准的 它们容易获得 色度稳定而准确 配出彩色也较多 色度图的读数将按基色单位 R G B 进行刻度 而不按辐射功率或者光通量刻度 其分别为1流明 4 5907流明 0 0601流明 它们是三基色的单位 或称为基色量 三基色 三原色 原理 实验发现 人眼的视觉响应应取决于红 绿 蓝三分量的代数和 即它们的比例决定了彩色视觉 而其亮度在数量上等于三基色的总和 这个规律称为Grassman定律 由于人眼的这一特性 就有可能在色度学中应用代数法则 白光 W 可由红 R 绿 G 蓝 B 三基色相加而得 它们的光通量比例为 R G B 1 4 5907 0 0601通常 取光通量为1光瓦的红基色光为基准 于是要配出白光 就需要4 5907光瓦的绿光和0 0601光瓦的蓝光 而白光的光通量则为 w 1 4 5907 0 0601 5 6508光瓦为简化计算 使用了三基色单位制 记作 R G B 它规定白光是由各为1个单位的三基色光组成 即M 1 R 1 G 1 b 符号M的含义是 可由 混合配出 由此可知 1个单位 R 1光瓦 红基色光 1个单位 G 4 5907光瓦 绿基色光 1个单位 B O 0601光瓦 蓝基色光 三基色 三原色 原理 选定上述单位以后 对于任意给出的彩色光 其配色方程可写成 r1 R g1 G b1 B 该色的光通量为 c r1 4 5907g1 0 0601b1 光瓦 680 r1 4 5907g1 0 0601b1 流明其中 r1 g1 b1为三个色系数 在只考虑色光色度时 起决定作用的是r1 g1 b1的相对比例 而不是其数值大小 于是可进一步规格化 令m r1 g1 b1 r r1 mg g1 m b b1 m显然 r g b 1式中 m称为色模 它代表某彩色光所含三基色单位的总量 r g b称为RGB制的色度座标或相对色系数 它们分别表示 当规定所用三基色单位总量为1时 为配出某种给定色度的色光所需的 R G B 数值 这样 m r R g G b B 颜色的表示方法 RGB表色系统 在颜色方程中 如果R G B的比例发生了变化 那么混合色的色品将发生变化 如果R G B变化时保持相互间的比例不变 那么只引起混合色的亮度变化 而色品不变 因此混合色的色品只决定于R G B的比例 在颜色方程中 因有C R G B 将配色方程变形为 C R C R G C G B C B 由此可以看出三原色的刺激值在总颜色的刺激值 R G B 中所占的比例 取决于三刺激值的相对量 令r R R G B g G R G B b B R G B 称为色品坐标 相对三色系数 由此即可得出r g b 1 即色品坐标r g b中 只有两个独立 因此可用二维空间表示彩色光的色品 对于标准白光 R G B 1 因此标准白光的色坐标为r g b 1 3 如果将R G B看成三个变量 就形成一个三维彩色空间 可以用一个三维的立方体来表示它们能组成的所有颜色 颜色的表示方法 图示CIE1931RGB系统色度图 颜色的表示方法 XYZ表色系统 XYZ表色系统RGB系统在某些场合下 例如被匹配颜色的饱和度很高时 三色系数就不能同时去正 而且由于三原色都对混合色的亮度有贡献 当用颜色方程计算时就很不方便 希望有一种系统能满足以下的要求 1 三刺激值均为正 2 某一种原色的刺激值 正好